无机人造石板材及其制备方法与流程

本发明涉及建筑材料，特别地，涉及一种无机人造石板材及其制备方法。

背景技术：

1、无机人造石板材是一种免烧结板材，是一种低能耗产品。相比有机人造石板材，无机人造石板材所用的胶凝材料为无机物，在制备和使用过程中均无有机溶剂的挥发，更加绿色环保。另外，无机人造石板材比有机板材具有更优异的耐紫外老化性、耐高温性，以及耐燃性能，可用于室内和室外，应用场景更为多样。

2、传统无机人造石板材制备中使用的胶凝材料均为水泥和骨料。首先，骨料多数为高品质的天然钙石和石英石，制备成本高，且天然钙石和石英石的开采会破坏当地环境。其次，水泥在生产过程中需经过“两磨一烧”工艺，烧制过程会消耗大量的能量，并排放大量的二氧化碳。据统计，2021年全国水泥产量为23.63亿吨，二氧化碳的排放量为11.29亿吨。

3、我国作为工业生产大国，工业固废累计堆存量为620亿吨，其中尾矿年总产生量约为12.72亿吨，尾矿中铁尾矿产生量最大，约为5.2亿吨，占尾矿总产生量的40.9％。提高铁尾矿资源化利用率对缓解现有矿产资源不足、实现变废为宝，以及保障铁资源供应等多方面均具有重要意义。

4、现有铁尾矿往往以全尾砂和分级尾砂进行排放，直接将铁尾矿作为骨料代替天然钙石或石英石等应用于人造石板材中，并不能保证骨料处于最大密堆积状态，因此制备的板材密度和强度均不高。另外，铁尾矿砂的主要成分为矿砂和泥土，泥土的存在不利于水泥水化强度的形成，铁尾矿砂中还含有大量的硫，会对普通水泥产生腐蚀，所以，以水泥为胶凝材料制备的铁尾矿砂无机人造石板材不仅强度不高，而且耐久性差。

技术实现思路

1、本发明提供了一种无机人造石板材及其制备方法，以解决现有以水泥为胶凝材料使用铁尾矿砂制备无机人造石板材密度低、强度低，以及耐久性能差的技术问题。

2、根据本发明的一个方面，提供一种无机人造石板材，包括如下重量份的原料组分：地聚物胶结料6.0～10.0份、碱激发剂0.9～2.1份、铁尾矿砂16.0～19.0份、减水剂0.01～0.45份、颜料0.03～1.0份、抗裂纤维0.12份～0.35份，保水剂0.001～0.035份、增强剂0.036～0.08份，以及水0.3～1.5份；所述地聚物胶结料包括高炉粒化矿渣微粉、偏高岭土和硅粉。

3、进一步地，所述地聚物胶结料包括重量百分含量为35～65％的高炉粒化矿渣微粉、30～60％的偏高岭土，以及5～15％的硅粉。

4、进一步地，所述高炉粒化矿渣微粉的比表面积不小于400m2/kg，活性不低于s95；和/或所述偏高岭土为高岭土经600～900℃煅烧后的脱水产物，粒径为325～4000目；和/或所述硅灰的比表面积不小于20000m2/kg，其中二氧化硅含量不低于92％。

5、进一步地，所述碱激发剂为硅酸钠与硅酸钾、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或多种组成的混合物；所述碱激发剂的固含量为50～70％。

6、进一步地，所述减水剂包括聚羧酸类减水剂、萘系减水剂或氨基磺酸盐减水剂；和/或所述抗裂纤维包括合成纤维或玄武岩纤维。

7、进一步地，所述保水剂包括白糖、柠檬酸钠、葡萄糖酸钠、六偏磷酸钠和聚乙二醇中的一种或多种。

8、进一步地，所述增强剂包括可再分散乳胶粉、丁苯乳胶、聚乙烯醇、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物或醋酸乙烯酯-叔碳酸乙烯酯共聚物。

9、根据本发明的另一方面，还提供了一种无机人造石板材的制备方法，包括如下步骤：

10、s1、将铁尾矿砂按照不同粒径区间分为至少3个等级，应用振动堆积密度试验获得各等级铁尾矿砂的重量比，按照重量比将各等级铁尾矿砂混合，以使铁尾矿砂在振动压实过程中能够紧密结合；

11、s2、将高炉粒化矿渣微粉、偏高岭土、硅灰、颜料、抗裂纤维、保水剂和增强剂搅拌混合，加入混合后的铁尾矿砂，搅拌混合后得到干混料；

12、s3、将减水剂和水混合均匀后加入干混料中，搅拌混合后得到预拌地聚合物混合料，将碱激发剂混入预拌地聚合物混料中，快速搅拌混合均匀后得到地聚物地聚合物混合料；

13、s4、将地聚合物混合料进行成型和养护脱模，得到无机人造石板材。

14、进一步地，步骤s4中所述成型为振动压实成型，所述振动压实成型的真空度为0.9～1mpa，振动频率为50～54hz，静压荷载在200吨以上。

15、进一步地，步骤s4中所述养护后还包括后处理，所述后处理包括定厚、打磨、抛光和深加工处理。

16、本发明具有以下有益效果：

17、本发明提供的无机人造石板材是一种绿色低碳环保型建筑板材，其中的胶凝材料及骨料100％为工业固废，代替了高能耗产品水泥、天然钙石头和天然石英石，不仅能提升工业固废的利用率、降低工业固废因堆弃对周围环境产生的污染，而且能免去天然钙石、天然石英石开采、破碎等处理工序，降低产品生产成本。

18、本发明所用地聚物胶结料为具有火山灰活性的高炉粒化矿渣微粉、偏高岭土、硅灰材料。高炉粒化矿渣微粉、偏高岭土中包括硅铝酸盐，在激发剂的作用下，硅铝酸盐中的固相高能态的铝氧键(-al-o-)、硅氧键(-si-o-)等共价键受oh-离子作用而断裂，硅铝酸盐玻璃体解离，向溶液中释放如下si和al单体：[sio4]和[alo4]。同时，在碱激发剂环境中，上述两种胶凝材料中的碱性金属离子(ga2+、mg2+等)也会发生溶解，由固相向液相中转移。[sio4]和[alo4]单体通过脱羟基缩聚反应与碱金属离子生成较低聚合度的硅酸盐和硅铝酸盐(m-s-h、a-s-h、m-a-s-h，其中m为碱金属离子)。此过程中，根据化学反应平衡原理会促进地聚合物胶凝材料中硅铝酸盐的溶解，[sio4]和[alo4]通过共用氧原子并与碱金属离子缩聚成三维网络状聚硅酸盐凝胶，该过程也是地聚合物胶凝材料强度形成的主要过程。

19、硅灰具有比表面积大、粒径小，以及含二氧化硅多的特点，在碱激发剂作用下，其中的二氧化硅会发生溶解，由固相向液相转移，与此同时，高聚态的硅质组分向低聚态硅质组分转移，硅灰的加入能够增加碱激发剂环境中低聚态硅质组分的含量。另外，硅灰中小粒径颗粒主要为微型玻璃球状体，对制备的混合料起到润滑作用，便于板材的压制。由于硅灰微型玻璃球状体能够填充聚合物中的微孔，胶凝材料的抗折抗压强度与孔隙率呈反比，所以硅灰的加入能起到提升地聚物胶凝材料强度的作用。本发明所使用的地聚合物胶凝材料呈现浅灰色及白色，能够调制出各种颜色的板材。

20、地聚合物与铁尾矿砂中的泥土充分接触后，溶解的低聚态物质缩聚形成的无机凝胶不仅会包裹在泥土颗粒表面形成包裹体，而且还会充填泥土颗粒间的多余空隙，由此形成一个相互联结的结构体系，在宏观上能够降低泥土对强度的影响。另外，泥土颗粒表面带有na+或k+，它们能与地聚合物水化产物中的al进行当量吸附交换，使较小的泥土颗粒不断吸附交换形成大泥土团粒并形成强度。与水泥相比，地聚合物不仅能起到水泥所能起到的充填和包裹作用，还能与泥土颗粒界面内的活性物质发生反应，形成新的无机高分凝胶体系。地聚合物通过碱激发方式合成具有三维网络状结构的硅铝酸盐聚合物，具有高分材料和无机硅酸盐矿物的结构和性能特点，与传统硅酸盐水泥相比，具有更高的密度以及耐腐蚀性，能够降低铁尾矿砂中的硫的影响，提升制备板材的耐久性能。

21、本发明所用骨料为铁尾矿砂，本发明提供的无机人造石板材的制备方法通过获得不同粒径范围的铁尾矿骨料，再应用振动堆积密度最大化理论获得不同骨料最佳配比，进一步使骨料在振动压实过程中紧密结合，并且在板材成型过程中能比原铁尾矿砂提前10～50s完成压制，还能减少胶凝材料的用量，降低板材制作的成本。所制备的板材具有更大的密度、抗折抗压强度。抗折抗压强度的提升能够降低产品的形变率，提升产品良率。密度的提升能够减缓地聚合物返碱的问题，密度高表明制备的板材具有更小的空隙率，因此能够减缓地聚合物材料中盐分的析出，从而减缓地聚合物返碱的不良问题。此外，缩短产品成型过程中的压制时间，能够提升产品的生产效率。

22、骨料在最大密堆积状态下通过振动压实，促进骨料之间的咬合作用，降低骨料在堆积状态下的空隙率，由此降低胶凝材料的用量。并且，地聚合物胶凝材料在骨料振动压实过程中对骨料起到很好的润滑作用，促进骨料之间的咬合或嵌入。由于地聚合物胶凝材料具有较骨料更小的粒径，能够填充骨料无法充填的孔隙部分，不仅能降低板材孔隙率，提升板材整体密度，还对咬合后的骨料起到粘结作用。所以，在该工艺条件下配合地聚合物胶凝材所制备的板材具有更大的密度和强度。

23、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。